探究測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的平均速度

華偉

測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的平均速度實(shí)驗(yàn)是初中物理首個(gè)分組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、收集和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等活動(dòng)，有助于同學(xué)們體會(huì)間接測(cè)量物理量的方法，提高同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

[實(shí)驗(yàn)要點(diǎn)]

測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的平均速度實(shí)驗(yàn)需要掌握以下幾個(gè)要點(diǎn)。（1）實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河每潭瘸吆屯１頊y(cè)量變速運(yùn)動(dòng)的平均速度。（2）實(shí)驗(yàn)原理：平均速度的測(cè)量需要測(cè)量路程和時(shí)間，再根據(jù)速度公式（v = [st]）計(jì)算。（3）實(shí)驗(yàn)方法：平均速度的測(cè)量是通過(guò)直接測(cè)量路程和時(shí)間，然后依據(jù)速度公式求出平均速度，間接獲得測(cè)量結(jié)果，屬于間接測(cè)量法。（4）實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：①測(cè)量小車(chē)通過(guò)的路程時(shí)，必須從開(kāi)始計(jì)時(shí)的車(chē)頭量到計(jì)時(shí)結(jié)束的車(chē)頭位置;②必須在小車(chē)下滑的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí);③為方便計(jì)時(shí)，要使斜面保持較小的斜度，保證小車(chē)在自由下滑時(shí)運(yùn)動(dòng)不至于太快。

[拓展探究]

（1）斜面的傾角不宜過(guò)大或過(guò)小的原因：傾角太大會(huì)使小車(chē)運(yùn)動(dòng)太快，不易計(jì)時(shí)，導(dǎo)致時(shí)間測(cè)量誤差過(guò)大;傾角太小會(huì)使小車(chē)運(yùn)動(dòng)太慢，導(dǎo)致求出的各段平均速度接近。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格設(shè)計(jì)：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求應(yīng)分別測(cè)量小車(chē)在斜面上自由下滑時(shí)通過(guò)全程和上半程的平均速度，因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格內(nèi)容應(yīng)含有：兩段路程、兩段路程對(duì)應(yīng)的時(shí)間以及兩段路程的平均速度，設(shè)計(jì)表格如下表所示。

（3）小車(chē)在斜面上的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，小車(chē)從斜面頂端由靜止運(yùn)動(dòng)到底端的過(guò)程是變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，在v-t圖象中是一條過(guò)原點(diǎn)的傾斜直線(xiàn)。小車(chē)通過(guò)上半程、下半程、全程的平均速度的大小關(guān)系為：[v下>v全>v上]。

（4）減小誤差的方法：多次測(cè)量求平均值可以有效減小測(cè)量誤差。多次測(cè)量同一段路程的平均速度時(shí)，必須讓小車(chē)從斜面的同一位置由靜止開(kāi)始滑下，且保證金屬片的位置不變。

（5）小車(chē)在斜面上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中下半程的平均速度的測(cè)量：測(cè)量出小車(chē)由斜面頂端自由下滑時(shí)通過(guò)上半程和全程的路程分別為s1、s2，再測(cè)量出小車(chē)通過(guò)上半程和全程所對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為t1、t2，則小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)下半程的平均速度為：[v下=s下t下=s2-s1t2-t1]。若將小車(chē)從斜面中點(diǎn)由靜止釋放，先測(cè)出小車(chē)到達(dá)斜面底端的時(shí)間和路程，再計(jì)算出小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平均速度，來(lái)測(cè)量小車(chē)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通過(guò)下半程的平均速度是錯(cuò)誤的，因?yàn)檫@樣測(cè)量的時(shí)間不是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中下半程的時(shí)間。

[素養(yǎng)提升]

例（2020·山東·棗莊）某實(shí)驗(yàn)小組在“測(cè)量物體運(yùn)動(dòng)的平均速度”實(shí)驗(yàn)中，讓小球從斜面A點(diǎn)由靜止開(kāi)始滾下，頻閃照相機(jī)記錄了小球在相同時(shí)間內(nèi)通過(guò)的路程，照片如圖所示，回答下列問(wèn)題。

（1）依據(jù)照片可判斷，小球在做______________（選填“加速”“減速”或“勻速”）運(yùn)動(dòng)。

（2）如果頻閃照相機(jī)每隔0.2 s拍攝一次，并測(cè)得sAB=5 cm，sBC=15 cm，則小球在BC段的平均速度為 m/s，小球在AC段的平均速度為 m/s。

（3）如圖所示，能說(shuō)明小球在斜面上運(yùn)動(dòng)情況的圖象是______________。

（4）小球在AD段運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)時(shí)間tAD中點(diǎn)時(shí)的速度為v1，經(jīng)過(guò)路程sAD中點(diǎn)時(shí)的速度為v2，則v1______________（選填“>”“<”或“=”）v2。

解析：（1）由圖可知，在相同時(shí)間，小球運(yùn)動(dòng)的路程越來(lái)越大，所以小球在做加速運(yùn)動(dòng)。

（2）因?yàn)轭l閃照相機(jī)每隔0.2 s拍攝一次，sAB=5 cm，sBC=15 cm，則小球在BC段的平均速度為：vBC=[sBCtBC]=[0.15 m0.2 s]=0.75 m/s;AC段的距離：sAC= sAB + sBC =5 cm +15 cm=20 cm=0.2 m，AC段所用的時(shí)間：tAC = tAB + tBC=0.2 s + 0.2 s=0.4 s，則小球在AC段的平均速度：vAC=[sACtAC]=[0.2 m0.4 s]=0.5 m/s。

（3）由（1）知圖中小球在做加速運(yùn)動(dòng)。圖A中隨著時(shí)間增加，速度在減小，圖B中隨著時(shí)間增加，速度不變，圖C中隨著時(shí)間增加，速度在增大，圖D中隨著時(shí)間增加，速度先減小后增大。故能說(shuō)明小球在斜面上運(yùn)動(dòng)情況的是圖象C。

（4）由（1）知圖中小球在做加速運(yùn)動(dòng)，即小球的速度越來(lái)越大，則時(shí)間tAD中點(diǎn)未到達(dá)路程sAD中點(diǎn)，則v1

答案：（1）加速 （2）0.75 0.5 （3）C （4）<

（作者單位：山東省棗莊市實(shí)驗(yàn)學(xué)校）